Бунаков П.Ю., Рудин Ю.И., Стариков А.В. Основы автоматизированного проектирования изделий и технологических процессов

Подождите немного. Документ загружается.

• высокая трудоемкость внедрения и отладки системы, большой объ-

ем работы по переводу документов в электронный вид;

• нечеткое сопряжение внедряемой системы с системами смежных

подразделений и предприятий;

• страх специалистов перед переходом на новые инструменты и тех-

нологии работы;

• отсутствие необходимой материально-технической базы, в том чис-

ле и технологического оборудования на производстве;

• отсутствие подготовленных кадров;

• необходимость коренного изменения работы конструкторско-

технологических и производственных служб.

Как видно, все проблемы носят организационный характер. Пути их

решения тоже в основном организационные:

• принятие стратегического решения о развитии САПР на предпри-

ятии на уровне высшего руководства предприятия;

• разработка четкого технико-экономического обоснования и поэтап-

ного плана внедрения САПР;

• назначение ответственного за внедрение САПР из числа высших ру-

ководителей предприятия;

• организация системы обучения интегрированным САПР на пред-

приятии и последующем закреплении подготовленных кадров.

Таким образом, автоматизация предприятия является организационно-

техническим процессом, поэтому организационное обеспечение имеет ис-

ключительно важное значение, особенно на этапах внедрения САПР.

Процесс функционирования САПР – это выполнение необходимых

проектных процедур в соответствии с заданным алгоритмом проектирования.

Оно должно обеспечивать эффективное формирование проектных решений –

промежуточных и конечных описаний объекта проектирования, необходи-

мых для его производства. Эффективное функционирование САПР возможно

только при наличии и четком взаимодействии всех рассмотренных видов

обеспечения.

Вопросы для контроля

1. Дайте классификацию САПР по уровню автоматизации.

2. Какие задачи решают расчетно-оптимизационные и графоаналитические

САПР?

3. Что такое информационный фонд САПР? Какие способы существуют для

его организации?

4. Характеризуйте различия специализированных и инвариантных САПР.

Приведите примеры.

5. Что входит в техническое и программное обеспечение САПР?

6. Что такое математическое и информационное обеспечение САПР?

7. Что такое лингвистическое обеспечение САПР?

8. Расскажите об организационных проблемах внедрения САПР и путях их

решения.

Глава 4

Технические средства для конструкторских

и технологических САПР

4.1. Общие сведения

Технические средства и общее программное обеспечение образуют ин-

струментальную базу САПР, представляющую собой среду, в которой реа-

лизуются другие, рассмотренные в предыдущем разделе виды обеспечения

САПР. Инженер, взаимодействуя с этой средой, осуществляет автоматизиро-

ванное проектирование технических объектов [6].

В общем случае в САПР используют комплексы технических средств

(КТС), в состав которых входят ЭВМ (компьютеры), внешние запоминающие

устройства (ВЗУ), устройства ввода/вывода информации (УВ/В), устройства

оперативной связи пользователя с ЭВМ (УОС), устройства машинной графи-

ки (УМГр), устройства подготовки данных (УПД), устройства теледоступа

(УТД), устройства связи с технологическим оборудованием (УСТО). САПР

различного назначения имеют различные КТС.

Рис. 4.1. Типовой состав комплекса технических средств САПР

Взаимосвязанное функционирование устройств КТС САПР обеспечи-

вается общесистемным (базовым) программным обеспечением, под которым

подразумевают операционные системы (ОС) для ЭВМ.

Назначение ОС – организация вычислительного процесса, рациональ-

ное распределение вычислительных ресурсов между отдельными решаемыми

задачами, предоставление пользователям многочисленных сервисных

средств, облегчающих процесс программирования и отладки их задач.

Совокупность технических средств ЭВМ и ее программного обеспече-

ния называют вычислительной системой (ВС). Основой ВС являются

ЭВМ, которые можно классифицировать как супер-ЭВМ, ЭВМ высокой и

средней производительности, персональные ЭВМ (ПЭВМ) и микроЭВМ.

Супер-ЭВМ (производительность свыше 100 млн. операций в сек.) и

ЭВМ высокой и средней производительности (производительность свыше

1 млн операций в сек.) используются в основном для решения сложных вы-

КТС САПР

ЭВМ УСТО ВЗУ УВ/В УОС УМГр УПД УТД

числительных задач (моделирования, параметрической и поисковой оптими-

зации, комбинаторики и других). Мини-ЭВМ служат основой для создания

типовых проблемно-ориентированных комплексов – автоматизированных

рабочих мест (АРМ) проектировщика, или инженерных рабочих станций

(ИРС); персональные ЭВМ (ПЭВМ) предназначены для текущей повседнев-

ной работы инженеров; микроЭВМ широко используются в интеллектуаль-

ных терминалах (оконечных устройствах) и персональных ЭВМ.

Основу технического обеспечения САПР составляют АРМ − индивиду-

альные комплексы технических и программных средств, предназначенные

для автоматизации профессионального труда специалиста и обеспечивающие

подготовку, редактирование, поиск и выдачу необходимых ему документов и

данных.

Основу любого АРМ составляет персональный компьютер (ПК,

ПЭВМ). Его характеристики также определяются решаемыми задачами. На-

пример, при разработке новой модели автомобиля требуется мощная рабочая

станция с большой тактовой частотой, а для проектирования мебельных из-

делий вполне достаточно обычных персональных компьютеров.

4.2. Требования к техническому обеспечению САПР и

краткая характеристика современных устройств ВТ

Кратко требования к техническому обеспечению САПР, ориентируясь

преимущественно на деревообрабатывающую и мебельную промышлен-

ность, можно сформулировать следующим образом:

• Достаточная производительность компьютера. При проектиро-

вании мебели, а чаще при приеме заказов на нее используются трех-

мерные модели, работа с которыми требует высокого быстродейст-

вия и наличия достаточного количества оперативной памяти. Кроме

того, использование оптимизационных алгоритмов, например, при

подборе партии изделий по критерию минимизации используемых

материалов, может замедлять работу на отдельных этапах.

• Хорошая разрешающая способность и качество мониторов. Это

требование напрямую влияет не только на производительность тру-

да проектировщика, но и на его здоровье, ведь монитор является ис-

точником сильного электромагнитного излучения.

• Развитое периферийное оборудование: принтеры или плоттеры,

возможно, сканеры, стримеры и т.д. Количество периферии и спосо-

бы ее использования определяются характером и объемом выпол-

няемых работ. Например, при средних объемах выпускаемой доку-

ментации достаточно иметь один производительный принтер с об-

щим доступом по сети.

• Поддержка работы в локальной вычислительной сети (ЛВС),

что позволяет реализовать возможности для параллельной работы

над проектом одновременно нескольких специалистов с использо-

вание общих баз данных.

Важнейшей характеристикой компьютера, точнее, его центрального

процессора (ЦП), определяющей его быстродействие, является частота, то

есть количество базовых операций (например, операций сложения двух дво-

ичных чисел), которые он производит за 1 секунду. Частота ЦП современных

компьютеров измеряется в Гигагерцах (ГГц) и составляет от 1 до 3 ГГц. Дру-

гой характеристикой процессора, напрямую влияющей на производитель-

ность компьютера, является его разрядность, которая определяется количе-

ством двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт.

Разрядность большинства современных процессоров составляет 32 бит.

Оперативная (внутренняя) память представляет собой множество яче-

ек, причем каждая ячейка имеет объем 1 байт и свой уникальный двоичный

адрес. Она также влияет на производительность компьютера. Объем опера-

тивной памяти – от сотен килобайт до нескольких мегабайт.

Вообще, производительность компьютера является интегральной ха-

рактеристикой, которая зависит от частоты и разрядности процессора, объе-

ма оперативной и долговременной (внешней, дисковой) памяти, скорости

обмена данными. Производительность компьютера невозможно вычислить,

она только может быть определена в процессе тестирования по скорости вы-

полнения определенных операций в стандартной программной среде.

Долговременная (внешняя) память. В качестве внешней памяти исполь-

зуются носители информации различной информационной емкости:

• гибкие диски или дискеты размером 3,5 дюйма (89 мм) и емкостью

1,44 Мбайт;

• жесткие диски (от нескольких сотен Мбайт до нескольких сотен

Гбайт);

• оптические диски CD и DVD высокой емкости (от сотен Мбайт до

нескольких Гбайт).

Накопители на гибких магнитных дисках (FDD − Floppy Disk Drive)

служат для архивного хранения небольших объемов данных и для переноса

данных с машину на машину в отсутствие локальной сети. Крупными их не-

достатками являются малый объем носителя информации (дискеты), а также

низкое быстродействие и недостаточная надежность (по некоторым сведени-

ям в настоящее время их производство прекращено).

Накопители на жёстких магнитных дисках, или винчестерские диски

(HDD − Hard Disk Drive) являются самыми быстрыми и предназначены для

постоянного хранения информации, используемой при работе с компьюте-

ром. С точки зрения пользователя они отличаются друг от друга, прежде все-

го своей ёмкостью, т.е. количеством информации, которая помещается на

диске. Сейчас компьютеры в основном оснащаются винчестерскими дисками

емкостью от 40 Гбайт и более. Скорость работы диска характеризуется двумя

показателями: время доступа к данным на диске и скорость чтения и записи

данных на диск. Следует заметить, что эти характеристики зависят не только

от самого дисковода, но от параметров всего тракта обмена с диском: от бы-

стродействия контроллера диска, системной шины и основного микропро-

цессора компьютера.

CD-ROM является аббревиатурой слов «Compact Disk Read Only

Memory», что переводится с английского как «постоянное запоминающее

устройство на основе компакт-дисков». Принцип действия этого устройства

состоит в считывании цифровых данных с помощью лазерного луча, который

отражается от поверхности диска. В качестве носителя информации исполь-

зуется обычный компакт-диск (CD), его емкость порядка 650−700 Мбайт. В

настоящее время практически все программное обеспечение распространяет-

ся именно на компакт-дисках.

Накопитель CD-ROM включает в себя:

• электродвигатель для вращения диска;

• оптическую систему, состоящую из лазерного излучателя, оптиче-

ских линз и датчиков и предназначенную для считывания информа-

ции с поверхности диска;

• микропроцессор для управления этими устройствами и декодирова-

ния информации.

Две основные характеристики CD-ROM:

• Скорость передачи данных, которая измеряется в кратных долях

скорости проигрывателя аудио компакт-дисков (150 Кбайт/сек) и

характеризует максимальную скорость, с которой накопитель пере-

сылает данные в оперативную память компьютера. Например, 50-

скоростной CD-ROM (обозначается как 50x) считывает данные со

скоростью 7500 Кбайт/сек. Современные устройства CD-ROM яв-

ляются 32- или 52-скоростными.

• Время доступа − время, необходимое для поиска информации на

диске. Оно измеряется в миллисекундах.

Основным недостатком CD-ROM является невозможность записи дан-

ных. Другими накопителями подобного принципа действия являются:

• CD-R (CD-Recordable), допускающие однократную запись и неогра-

ниченное количество считываний;

• CD-RW (CD-ReWritable), используемые для многоразовой записи

данных;

• DVD (Digital Video Disk) − устройство для чтения цифровых видео-

записей, отличающееся от CD большой емкостью, свыше 4 Гбайт.

Одним из важнейших устройств АРМ является монитор (дисплей),

предназначенный для вывода на экран текстовой и графической информации.

Мониторы бывают электронно-лучевыми и жидкокристаллическими.

Характеристики электронно-лучевых мониторов:

• Размер экрана по диагонали. В настоящее время наиболее популяр-

ны 17- и 19-дюймовые мониторы.

• Разрешение монитора (или разрешающая способность), которое свя-

зано с размером отображаемого изображения и выражается в коли-

честве точек по ширине (по горизонтали) и высоте (по вертикали)

отображаемого изображения. Например, если монитор имеет разре-

шение 640×480, это означает, что изображение состоит из

640×480=307200 точек в прямоугольнике, чьи стороны соответст-

вуют 640 точкам по ширине и 480 точкам по высоте. Более высокое

разрешение соответствует отображению более детального изобра-

жения на экране, однако, разрешение должно соответствовать раз-

меру монитора, иначе изображение будет слишком маленьким. На-

пример, для 17-дюймового монитора лучшим будет разрешение

1280×1024, а для 24-дюймового − 1600×1200 точек.

• Частота регенерации или обновления экрана − это параметр, опре-

деляющий, как часто перерисовывается изображение на экране.

Частота регенерации измеряется в герцах (Гц, Hz). Существуют два

режима обновления экрана - с чередованием строк (interlaced) и без

него (non interlaced). В первом случае за каждый проход луча по эк-

рану обновляется только половина экрана − четные или нечетные

строки, во втором − обновляются все строки. Режим с чередованием

строк может привести к повышенной утомляемости глаз и в совре-

менных мониторах не используется. Чем выше частота регенерации,

тем более устойчивым выглядит изображение на экране, однако при

частоте выше 110 Гц глаз человека уже не может заметить никакого

мерцания. Мерцание изображения приводит к утомлению глаз, го-

ловным болям и ухудшению зрения.

• Соответствие стандартам безопасности. Для защиты от вредного из-

лучения монитора, достаточно выбрать модель, соответствующую

стандарту TCO-92. Стандарты TCO-95 и TCO-99 не отличаются от

него в части требований по излучению, основные их отличия каса-

ются потребления энергии и качества применяемых материалов.

У жидкокристаллических мониторов набор характеристик несколько

иной, но определяющим параметром остается размер экрана. Другими харак-

теристиками, на которые следует обратить внимание, являются:

• Яркость.

• Контрастность, которая показывает максимальное соотношение ме-

жду самыми темными пикселами и самыми яркими. Наиболее со-

вершенные мониторы обладают контрастностью 400:1, хотя контра-

стность от 250:1 является очень хорошей.

• Угол обзора. Характеристика, присущая только этим мониторам и

связанная с тем, что когда смотришь на изображение не прямо, а

под некоторым углом, картинка теряет контрастность, причем, чем

больше угол, тем больше потери. Как правило, угол обзора устанав-

ливают на границе 10-процентной потери контрастности. Лучшими

считаются модели с углом обзора от 140 градусов по горизонтали и

от 120 по вертикали.

• Число воспроизводимых цветов. Некоторые мониторы не воспроиз-

водят все 16 миллионов цветов, а только эмулируют их, что ухудша-

ет качество изображения.

К устройствам ввода, обычно используемым в АРМ, относятся, прежде

всего, клавиатура и мышь. Клавиатуры отличаются по эргономике, типу кон-

такта, наличию встроенных устройств и рядом других функций. Существует

два основных типа механизма клавиш: мембранный и механический. Долгое

время клавиатуры имели стандартные 101 клавишу. Однако развитие ОС

Windows, а затем Интернета привело к появлению на них дополнительных

клавиш.

Мышь представляет собой электронно-механическое или электронно-

оптическое устройство, с помощью которого осуществляется дистанционное

управление курсором на экране монитора. Основной характеристикой мыши

является разрешающая способность, которая измеряется в точках на дюйм

(dpi). Эта характеристика показывает, какое минимальное перемещение мы-

ши по плоскости фиксируется следящей системой.

Еще одним устройством, присутствие которого в составе АРМ просто

необходимо, но о котором постоянно забывают, является источник беспере-

бойного питания (UPS − Uninterruptible Power Supply). Он предназначен для

защиты компьютера от сбоев в системе электропитания, последствия кото-

рых могут весьма серьезными: от частичной потери информации и незначи-

тельных сбоев в работе программ до полной потери всех данных на жестком

диске и неисправимых отказов оборудования. Исследования фирмы IBM по-

казывали, что в США средний компьютер испытывает проблемы с электро-

питанием около 120 раз в месяц, а средняя фирма теряет по этой причине от

1000 до 50000 долларов в месяц.

Принцип работы UPS следующий: встроенный аккумулятор подзаря-

жается от сети, а устройство управления следит за питающей сетью. В тот

момент, когда напряжение в сети пропало, устройство управления переклю-

чает нагрузку на работу от аккумулятора, а как только напряжение появляет-

ся – вновь переключает нагрузку на сеть и начинает заряжать аккумулятор.

После отключения от сети аккумулятор некоторое время поддерживает рабо-

ту нагрузки, в течение которого можно сохранить все данные и нормально

завершить работу.

Совсем не обязательно подключать через UPS все компоненты АРМ.

Вполне достаточно защитить только компьютеры и мониторы. Те устройства,

временное обесточивание которых, не приводит к каким-либо потерям дан-

ных, например, принтеры, подключать через UPS совсем не обязательно.

К другим внешним устройствам, которые могут использоваться в со-

ставе АРМ, относятся:

• Трекбол − устройство, представляющее собой «перевёрнутую меха-

ническую» мышь, то есть корпус неподвижен, а вращается только

шарик.

• Сканер − устройство, позволяющее вводить в компьютер образы

изображений, представленных в виде текста, рисунков, слайдов, фо-

тографий и другой графической информации.

• Дигитайзер, или диджитайзер (электронный планшет) – устройство

для ввода в компьютер графической информации путем указания

координат точек на планшете специальным указателем с датчиком.

• Сетевые адаптеры – устройства для подключения компьютера к ло-

кальной сети.

• Стример – устройство для быстрого сохранения информации, нахо-

дящейся на жёстком диске.

4.3. Многомашинные и многопроцессорные ВС

Как бы не высока была производительность используемой в САПР

ЭВМ, ее может не хватить при необходимости увеличения степени детализа-

ции математического описания при проектировании сложного технического

объекта.

Повышение производительности ВС решают либо увеличением быст-

родействия элементной базы ЭВМ, либор совершенствованием ее структуры

путем реализации многомашинных и многопроцессорных ВС.

Многомашинные ВС строят из нескольких ЭВМ (рис. 4.2), каждая из

которых имеет свою оперативную память (ОП), центральный процессор

(ЦП), внешние запоминающие устройства (ВЗУ), процессор ввода/вывода

(ПВВ) и работают под управлением собственной ОС. Такие ВС имеют также

общее ВЗУ и средства межмашинной связи: адаптер канал – канал (АКК),

переключатель каналов (ПК).

ВС1 ВС2

Рис. 4.2. Структура ВС из 2-х ЭВМ (многомашинный комплекс)

В многопроцессорных ВС процессоры становятся обычными модуля-

ми, которые включаются в систему в требуемом количестве и конструктивно

ОП

ВЗУ

ЦП

ПВВ

ВЗУ

ПВВ

ЦП ОП

ВЗУ

ПК

АКК

размещаются в пределах одной ЭВМ. Различают два типа многопроцессор-

ных ВС:

• матричные (векторные) ВС (рис. 4.3-а);

• конвейерные (магистральные) ВС (рис. 4.3-б)

В векторной (матричной) ВС разные данные из соответствующих по-

токов данных, вызываемых из оперативной памяти (ОП) ЭВМ одновременно

обрабатываются процессорными элементами ПЭ 1, ПЭ 2, … ПЭ i под управ-

лением одной и той же команды из устройства управления (УУ) в виде одно-

го общего потока команд. При этом на выходе каждого процессорного эле-

мента образуется отдельный поток результатов. Максимальная производи-

тельность в ВС такого типа обеспечивается при решении узкого класса задач

и при постоянной загрузке всех процессорных элементов.

В конвейерных (магистральных) ВС один поток данных обрабатыва-

ется последовательно соединенными процессорными элементами (конвейер

из ПЭ) под управлением соответствующих (различных) потоков команд. В

вычислительных системах этого типа каждый ПЭ решает свою часть общей

задачи. Поэтому при загрузке всех процессорных элементов результаты на

выходе конвейера ПЭ появляются столько раз, сколько процессорных эле-

ментов связано в конвейер. Конвейеризация применяется в супер-ЭВМ и в

ЭВМ высокой производительности.

Потоки данных Потоки результатов Один поток данных Один поток реульта

тов

Один поток команд Потоки команд

Рис. 4.3-а. Структура векторной ВС Рис. 4.3-б. Структура конвейерной ВС

Перспектива решения задачи повышения производительности ВС –

многопроцессорные ВС, в которых множество ПЭ, взаимодействуя между

собой, выполняет одновременную обработку множества потоков данных под

управлением множества соответствующих каждому ПЭ потоков команд.

ОП

УУ

ПЭ 1

ПЭ 2

ПЭ i

ОП

УУ

ПЭ1

ПЭ2

ПЭj

4.4. Вычислительные сети

Качественно отличным типом вычислительных систем являются вы-

числительные сети. Вычислительной сетью (ВСт), или сетью ЭВМ, назы-

вается комплекс территориально рассредоточенных ЭВМ и терминальных

устройств, связанных между собой скоростными каналами передачи данных.

При этом под терминальными (оконечными) устройствами понимают уст-

ройства доступа пользователей к вычислительным ресурсам сети ЭВМ.

Целесообразность создания ВСт обуславливается возможностью ис-

пользования территориально рассредоточенными пользователями оборудо-

вания ЭВМ, программ и информационных баз данных, находящихся в раз-

личных вычислительных центрах сети, а также возможностью организации

«распределенной обработки» данных путем привлечения вычислительных

ресурсов нескольких вычислительных центров сети для решения особо слож-

ных задач.

Основными составными частями ВСт являются вычислительные

системы (ВС), системы передачи данных и терминалы. При этом в состав ВС

должны входить ЭВМ, обеспечивающие эффективную работу в режимах па-

кетной обработки, разделения времени и возможность объединения несколь-

ких ВС, работающих на единое поле памяти.

По функциональному назначению различают сети:

• информационные, предоставляющие пользователю в основном ин-

формационное обслуживание (научно-техническая информация, ре-

зервирование билетов в железнодорожных или авиа-кассах и т.п.);

• вычислительные – выполняющие решение задач с обменом данны-

ми и программами между ЭВМ в сети;

• информационно-вычислительные.

По размещению информации различают сети:

• с централизованным банком данных, формируемом в одном из уз-

лов сети;

• с распределенным банком данных, состоящим из отдельных ло-

кальных банков данных, расположенных в узлах сети.

По степени территориального рассредоточения выделяют:

• крупномасштабные, или глобальные ВСт, охватывающие террито-

рию страны или нескольких стран с расстояниями между узлами се-

ти до нескольких тысяч километров;

• региональные ВСт, охватывающие определенные территории стра-

ны, регионы (область, город, район);

• локальные вычислительные сети (ЛВС) с максимальными рас-

стояниями между узлами сети не более нескольких километров.

По топологии (схемам связи) различают ВСт:

• магистральные (рис. 5-а), в которых отдельные ВС связаны между

собой так называемой «общей шиной» (кабелем, содержащим еди-